纳米凝胶固化砂土的PH值和孔隙率实时测试装置及方法与流程

技术特征：

1.一种纳米凝胶固化砂土的PH值和孔隙率实时测试装置，其特征在于：其包括试样成型长筒、监测装置、液体收集容器、水压控制器和压力隔离装置；试样成型长筒内放置砂试样；所述监测装置包含在试样成型长筒内分段布置的n个孔隙水压力计和PH计；所述压力隔离装置用橡胶膜隔离成两个腔室，其中一个腔室与水压控制器相连，另一个腔室装满硅溶胶与试样成型长筒连接；所述水压控制器、压力隔离装置、试样成型长筒和液体收集容器依次连接。

2.根据权利要求1所述的一种纳米凝胶固化砂土的PH值和孔隙率实时测试装置，其特征在于：所述试样成型长筒为两端敞口的PVC圆柱管，高度和直径比值≥10。

3.根据权利要求1所述的一种纳米凝胶固化砂土的PH值和孔隙率实时测试装置，其特征在于：所述PH计为光纤PH计。

4.根据权利要求1所述的一种纳米凝胶固化砂土的PH值和孔隙率实时测试装置，其特征在于：所述PH计和孔隙水压力计沿砂土试样中轴线等距布置在试样成型长筒内壁，同一水平面上PH计和孔隙水压力计以中轴线为对称轴，在同一竖直线上PH计和孔隙水压力计交替布置。

5.根据权利1所述的一种纳米凝胶固化砂土的PH值和孔隙率实时测试装置，其特征在于：所述试样成型长筒底部塞有第一橡胶塞，试样成型长筒顶部塞有第二橡胶塞，所述第一橡胶塞上面放置金属过滤筛网，以防止硅溶胶入口通道堵塞。

6.根据权利1所述的一种纳米凝胶固化砂土的PH值和孔隙率实时测试装置，其特征在于：在金属过滤筛网上面放置一块厚度为5mm的透水石，以便于硅溶胶能均匀地注入砂土试样的横截面上。

7.一种如权利要求5所述的纳米凝胶固化砂土的PH值和孔隙率实时测试装置的测试方法，其特征在于：其包括下述步骤：

步骤1：用第一橡胶塞将试样成型长筒的底部封住，在第一橡胶塞上放置金属过滤筛网，在金属过滤筛网上放置透水石，然后往试样成型长筒内放置砂土试样，在砂土试样放置过程中，沿砂土试样渗流方向布置孔隙水压力计和光纤PH计，最后用第二橡胶塞将试样成型长筒的顶部密封住；

步骤2：连接水压控制器和压力隔离装置的第一腔室，压力隔离装置内的第二腔室吸满硅溶胶，然后连接第二腔室和试样成型长筒，连接试样成型长筒和液体收集容器；

步骤3：启动水压控制器对压力隔离装置中的橡皮膜施加压力，实时记录水压控制器内水量的减少量，结合试样成型长筒的横截面积，可实时得到试样成型长筒内的流速V，同时实时记录各监测点上的PH值和水压，设沿试样成型长筒长度方向PH计有n个，底部的PH计编号为1，从下往上PH计编号依次增大，顶部PH计编号为n，对应的实时PH值为A₁(t),A₂(t),Λ,A_n(t)，第i个PH计与第i+1个PH计之间的PH值由A_i(t)和A_i+1(t)线性插值得到；

步骤4：实时分段计算试样的渗透系数并获得渗透系数分段插值函数f(x,t)；

步骤5：实时计算孔隙率沿试样长度方向的变化曲线θ(x,t)，由渗透系数和孔隙率的函数关系以及渗透系数分段插值函数f(x,t)计算孔隙率θ(x,t)。

8.根据权利要求7所述的一种纳米凝胶固化砂土的PH值和孔隙率实时测试装置的测试方法，其特征在于：步骤4中设沿试样成型长筒长度方向孔隙水压力计有n个，底部的孔隙水压力计编号为1，从下往上孔隙水压力计依次增大，顶部孔隙水压力计编号为n，对应的实时孔隙水压力为P₁(t),P₂(t),Λ,P_n(t)，试样成型长筒1被孔隙水压力计分为n-1段，每段的渗透系数(1≤i≤n-1)为：

上式中ρ_w为水密度，g为重力加速度，L为试样成型长筒高度。

求每个孔隙水压力节点i(1≤i≤n)上对应的实时渗透系数：

定义沿试样中轴线方向的渗透系数分段插值函数f(x,t)：

上式中l＝L/(n-1)，x_l＝x-l·(i-1)，且l·(i-1)≤x≤l·i。由渗透系数分段插值函数f(x,t)可得到沿试样长度方向每一点的渗透系数。

9.根据权利要求7所述的一种纳米凝胶固化砂土的PH值和孔隙率实时测试装置的测试方法，其特征在于：步骤5中，设为砂颗粒平均粒径，θ为孔隙率，c为常系数，应用渗透系数k和孔隙率的函数关系：

上述公式在孔隙率取值范围为0≤θ<1时为单值函数，将上式中的k用渗透系数分段插值函数f(x,t)代替，求解上式，即得到沿渗流方向和时间变化的孔隙率函数θ(x,t)，从而可以分析沿渗流方向孔隙率的变化和纳米凝胶固化砂土的不均匀性。